JP2005323451A

JP2005323451A - 駆動装置

Info

Publication number: JP2005323451A
Application number: JP2004139462A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Sueyoshi; 浩久末吉; Takayuki Hoshino; 隆之干野; Satoyuki Yuasa; 智行湯浅; Yoshihiro Saeki; 義弘佐伯
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】移動部材の位置によって移動部材の移動速度が変化せず、位置決め精度が高い駆動装置を提供する。
【解決手段】電気機械変換素子２と、電気機械変換素子２に一端が固定された弾性部材３と、弾性部材３の他端に固定された駆動摩擦部材４と、駆動摩擦部材４に摩擦係合する移動部材５とからなる駆動装置１であって、電気機械変換素子２に電圧を印加して電気機械変換素子２を伸縮させることで駆動摩擦部材４と移動部材５とを相対移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動装置、詳しくは、電気機械変換素子を用いた駆動装置に関する。

電気機械変換素子（例えば圧電素子）に周期的な駆動電圧を印加して、電気機械変換素子に一端を固定した駆動摩擦部材を前後に不均等な速度で振動させ、該駆動摩擦部材に摩擦係合する移動部材を一方向に摺動させることで位置決めを行う従来の駆動装置が特許文献１および２に記載されている。
特開２０００−３５０４８２号公報特開２００１−２１１６６９号公報

図１０に、従来の駆動装置１１を示す。駆動装置１１は、電気機械変換素子１２に一端を固定した駆動摩擦部材１３に移動部材１４が摩擦係合し、電気機械変換素子１２は、支持部材１５に一端が固定されている。駆動摩擦部材１３の全長Ｌに対して４分の１ごとの点をＡ点，Ｂ点およびＣ点とする。

電気機械変換素子１２に周期的な電圧を印加すると、電気機械変換素子１２が伸長して駆動摩擦部材１３を繰出した後、収縮して駆動摩擦部材１３を引戻すという動作を繰り返して駆動摩擦部材１３を振動させる。駆動摩擦部材１３の移動速度が遅いとき、移動部材１４は、駆動摩擦部材１３に摩擦係合して、駆動摩擦部材１３とともに振動する。しかし、駆動摩擦部材１３の移動速度がある程度以上に速いと、移動部材１４が慣性によってその場に留まろうとする力が駆動摩擦部材１３に移動部材１４が係合する摩擦力を超えて、移動部材１４は駆動摩擦部材１３上を摺動する。巨視的に移動部材１４の絶対位置を移動させるためには、駆動摩擦部材１３の移動速度が繰出し方向または引戻し方向のいずれか１方向でのみ移動部材１４の摩擦力を超えるように、一方向にはゆっくりと移動し、逆方向には急峻に移動する鋸歯状の周期的な振動となることが理想的である。特許文献１および２に記載されているように、鋸波に近い波形を描くには、基本となる周期の正弦波と、基本周期の倍の周期を有する２次の高調波との振幅が大きく、位相が互いにおよそ９０°ずれていることが必要である。

図１１は、上のグラフが、駆動装置１１の電気機械変換素子１２に正弦波電圧を印加したときの駆動摩擦部材１３のＡ点、Ｂ点およびＣ点のそれぞれの振幅の、直流電圧を印加したときの変位に対する比（振幅比）が、印加する電圧の周波数によってどのように変化するかを示し、下のグラフが、印加した正弦波電圧に対するＡ点、Ｂ点およびＣ点の変位の位相の周波数変化を示す。振幅比は２つのピークを有しているが、１つ目のピークは、電気機械変換素子１２の弾性により生ずる１次共振点であり、２つ目のピークは、駆動摩擦部材１３の弾性により生ずる２次共振点である。

振幅比については、駆動摩擦部材１３のＢ点およびＣ点では、２つ目のピークがはっきりと確認できるが、Ａ点では２つ目のピークがほとんど見られない。これは、電気機械変換素子１２から見た駆動摩擦部材１３の特定の点までのばね定数が、電気機械変換素子１２からの距離に比例するために、Ａ点はＢ点の半分、Ｃ点の３分の１の値しか有しておらず、共振を生じさせるような弾性が足りないからである。さらに、Ａ点における２次共振点前後の周波数における変位の位相は、Ｂ点およびＣ点における変位の位相との違いがはっきりと現れている。

図１２に、電気機械変換素子１２に鋸歯状の振動をさせるために理想的な１次共振周波数の０．７倍の周波数でデューティ比０．３の矩形波電圧を印加したときのＡ点およびＣ点のそれぞれの変位の波形を示す。このように２次共振点がない応答特性を有する系に鋸波の主要な構成成分である基本周波数の正弦波と２次の高調波を含む入力を与えても、高調波成分の出力が小さいため、出力される変位は基本周波数の正弦波に近い波形となってしまう。

図１３は、この条件における、駆動摩擦部材１３のそれぞれＡ点、Ｂ点およびＣ点における移動部材１４の絶対位置の移動速度を示す。移動部材１４の移動速度は、単位時間当たりのすべり量の繰出し方向と引戻し方向の差の総和であるが、駆動摩擦部材１３の繰出し方向と引戻し方向との移動速度の差が小さいＡ点では、繰出し方向と引戻し方向とで移動部材１４の駆動摩擦部材１３に対するすべり量の差が小さいために、移動部材１４の移動速度が低くなっている。

以上のように、従来の駆動装置１１は、移動部材１４が電気機械変換素子１２に近くなると移動速度が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、移動部材の移動速度が移動部材の位置によって変化しない駆動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による駆動装置は、電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子に一端が固定された弾性部材と、前記弾性部材の他端に固定された駆動摩擦部材と、前記駆動摩擦部材に摩擦係合する移動部材とからなり、前記電気機械変換素子に電圧を印加して該電気機械変換素子を伸縮させることで前記駆動摩擦部材と前記移動部材とを相対移動させるものとする。

この構成によれば、電気機械変換素子と駆動摩擦部材との間に弾性部材を設けたので、電気変換素子と駆動摩擦部材の任意の点との間には、常に、弾性部材と駆動摩擦部材の少なくとも一部分とによる一定の値以上の弾性が存在する。このため、駆動摩擦部材のいずれの点の振動も、電気機械変換素子に印加する正弦波電圧に対して、電気変換素子による１次共振点と、弾性部材および駆動摩擦部材による２次共振点とを有する近似した周波数特性を示す。これにより、駆動摩擦部材のいずれの点も、基本周波数成分の変位と２次の高調波成分の変位とがともに大きく、ほぼ同じ鋸歯状の振動をするので、移動部材を駆動摩擦部材に係合している位置に関係なく一定の速度で移動させられる。

また、本発明の駆動装置において、前記弾性部材のばね定数の前記駆動摩擦部材のばね定数に対する比が０．５以上で５以下であってもよい。

この構成によれば、１次共振点の０．７倍の基本周波数による駆動摩擦部材の変位に対して、２次の高調波による駆動摩擦部材の振幅比が大きく比較的高い変位を得ることができる。このため、駆動摩擦部材は、位置にかかわりなく鋸波に近い波形で振動し、移動部材を一定の速度で移動させられる。

上述したように、本発明によれば、移動部材の移動速度が移動部材の位置によって変化しない駆動装置を提供することが可能である。

図１に、本発明の駆動装置１を示す。駆動装置１は、電気機械変換素子２に弾性部材３を介して一端を固定した駆動摩擦部材４に移動部材５が摩擦係合し、電気機械変換素子２は、支持部材６に一端が固定されている。ここで、以降の説明のため、電気機械変換素子２と弾性部材３との接合点をＯ点、駆動摩擦部材４の全長Ｌに対して４分の１ごとの点を弾性部材３側から順にＡ点，Ｂ点およびＣ点とする。また、弾性部材３および駆動摩擦部材４の長さ方向のばね定数をそれぞれｋ_Ｅおよびｋ_Ｒで表す。

電気機械変換素子２に周期的な電圧を印加すると、電気機械変換素子２が伸長して弾性部材３および駆動摩擦部材４を繰出し、収縮して弾性部材３および駆動摩擦部材４を引戻すという動作を繰り返して弾性部材３および駆動摩擦部材４を振動させる。駆動摩擦部材４の移動速度が遅いとき、移動部材５は、駆動摩擦部材４に摩擦係合して、駆動摩擦部材４とともに移動する。しかし、駆動摩擦部材４の移動速度がある程度以上に速いと、移動部材５が慣性によってその場に留まろうとする力が駆動摩擦部材４に移動部材５が係合する摩擦力を超えて、移動部材５は駆動摩擦部材４上を摺動する。移動部材５の絶対位置を移動させるためには、駆動摩擦部材４の移動速度が繰出し方向および引戻し方向のいずれか１方向でのみ移動部材１４の摩擦力を超えるように、一方向にはゆっくりと移動し、逆方向には急峻に移動する鋸歯状の振動をさせることが理想的である。

図２は、上のグラフが、駆動装置１の電気機械変換素子２に正弦波電圧を印加したときの駆動摩擦部材４のＡ点、Ｂ点およびＣ点の振幅の、直流電圧を印加したときの変位に対する比（振幅比）が、印加する電圧の周波数によってどのように変化するかを示し、下のグラフが、印加した正弦波電圧に対するＡ点、Ｂ点およびＣ点の位相の周波数変化を示す。振幅比は２つのピークを有しているが、１つ目のピークは、電気機械変換素子１２の弾性より生ずる１次共振点であり、２つ目のピークは、弾性部材３および駆動摩擦部材４の弾性により生ずる２次共振点である。

移動部材５が、最も電気機械変換素子２に近付いたとしても、弾性部材３の弾性により図２の２つ目のピーク（２次共振点）は、振幅比が１を大きく超えており、比較的高い利得が得られることを示す。また、Ａ点、Ｂ点およびＣ点における変位の位相は、周波数変化に対していずれもほぼ同様の変化を示している。

図３に、電気機械変換素子２の鋸歯状の振動を得るために理想的な１次共振周波数の０．７倍の周波数でデューティ比０．３の矩形波電圧を印加したときのＡ点およびＣ点のそれぞれの変位の波形を示す。図示するように、本発明の駆動装置１において、駆動摩擦部材４の電気機械変換素子２に近いＡ点と電気機械変換素子２から遠いＣ点とは、ほぼ同じ鋸歯状の波形を描いて振動している。

図４に、図３の振動をする駆動摩擦部材４のＡ点、Ｂ点およびＣ点のそれぞれで係合する移動部材５の移動速度を、従来の駆動装置の移動部材の移動速度とともに示す。図示するように、駆動装置１において、移動部材５は、駆動摩擦部材４に係合する位置によって大きく移動速度が変化しない。特に、移動部材５が電気機械変換素子２に近いときに、従来の駆動装置に見られるように、移動部材５の移動速度が大きく落ち込む欠点がない。

このように、本実施形態の駆動装置１は、駆動摩擦部材４のいずれの点も、基本周波数成分の変位と２次の高調波成分の変位とが大きいほぼ同じ鋸歯状の振動をするので、移動部材５の移動速度が駆動摩擦部材４に係合する位置によって変化しない。

駆動装置１の効率を高め、移動部材５の移動速度を大きくするには、駆動電圧に対する駆動摩擦部材４の鋸歯状の振動の振幅を大きくすればよく、そのために、駆動電圧の基本周波数に対する振幅比と基本周波数の２倍の周波数を有する２次の高調波に対する振幅比とがともに大きいことが必要である。また、矩形波状の駆動電圧によって駆動する場合、１次共振周波数の０．７倍の矩形波が好ましいことが公知である。

図５に、弾性部材３のばね定数ｋ_Ｅの駆動摩擦部材５のばね定数ｋ_Ｒに対する比（ｋ_Ｅ／ｋ_Ｒ）がそれぞれ０．２、０．５、１．０、２．５、５．０および１０のときの、Ａ点の振幅比の周波数特性を示す。ばね定数の比（ｋ_Ｅ／ｋ_Ｒ）が大きくなるほど、１次共振周波数および２次共振周波数はいずれも高くなっている。しかし、１次共振周波数と２次共振周波数との比は、ばね定数の比（ｋ_Ｅ／ｋ_Ｒ）が大きくなるほど小さくなっており、ばね定数の比が約１．０のとき２次共振周波数が１次共振周波数のほぼ２倍になっている。つまり、ばね定数の比（ｋ_Ｅ／ｋ_Ｒ）が小さすぎても、また、ばね定数の比が大きすぎても、１次共振周波数の０．７倍の基本周波数の２次の高調波成分に対する利得が小さくなり、駆動摩擦部材４の鋸歯状の振動が得られないことになる。図５から、１次共振周波数の０．７倍の基本周波数の２次の高調波に対する正の利得を示す振幅比が１．０以上となる好ましい範囲を読み取ると、ばね定数の比（ｋ_Ｅ／ｋ_Ｒ）は、０．５以上で５．０以下である。

また、図６に、駆動摩擦部材４に摩擦係合する移動部材５の移動速度を測定し、Ａ点における移動速度のＣ点における移動速度に対する比がばね定数の比（ｋ_Ｅ／ｋ_Ｒ）によってどのように変化するかを示す。図示するように、移動部材５の位置による移動速度の変化は、ばね定数の比（ｋ_Ｅ／ｋ_Ｒ）がおよそ１．０のときに最も小さく、ばね定数の比が０．５以上で５．０以下のときに、Ａ点での速度がＣ点での速度の約８０％以上を確保できるので好ましい。

このように、弾性部材３のばね定数ｋ_Ｅの駆動摩擦部材５のばね定数ｋ_Ｒに対する比（ｋ_Ｅ／ｋ_Ｒ）を０．５以上で５．０以下にすることで、駆動摩擦部材４は、位置にかかわりなく鋸波に近い波形で振動し、移動部材５をほぼ一定の速度で移動させられる。

さらに具体的に本発明の効果を検証するために、以下に述べる駆動装置を試作して比較試験を行った。

（比較例）
長さ２．０ｍｍ、直径１．６ｍｍのタングステンを支持部材、
長さ７．０ｍｍ、直径１．６ｍｍのＰＺＴ圧電素子を電気機械変換素子、および、
長さ１８ｍｍ、直径１．２ｍｍ、ばね定数１０．０μＮ／ｍのＣＦＲＰを駆動摩擦部材として駆動装置を製作して比較例とした。

（実施例）
長さ２．０ｍｍ、直径１．６ｍｍのタングステンを支持部材、
長さ７．０ｍｍ、直径１．６ｍｍのＰＺＴ圧電素子を電気機械変換素子、
長さ０．９ｍｍ、直径１．２ｍｍ、ばね定数１２．６μＮ／ｍのポリ塩化ビニルを弾性部材、および、
長さ１８ｍｍ、直径１．２ｍｍ、ばね定数１０．０μＮ／ｍのＣＦＲＰを駆動摩擦部材として駆動装置を製作して（前記比較例に弾性部材を追加した）実施例とした。

図７および図８に、比較例および実施例において、駆動摩擦部材の電気機械変換素子側から４．５ｍｍの点をＡ点とし、９．０ｍｍの点をＢ点とし、１３．５ｍｍの点をＣ点として、電気機械変換素子に周波数の異なる正弦波電圧を印加して、それぞれのＡ点、Ｂ点およびＣ点の変位の振幅および正弦波電圧に対する位相を測定した結果を示す。図示するように、２次共振点までの位相に関しては、比較例と実施例とでは大きな差は見られなかった。しかし、振幅に関しては、図７の比較例において、Ａ点の振幅は、１次共振点以降、Ｂ点およびＣ点の値よりも際立って大きく減少しているのに対して、図８の実施例において、Ａ点の振幅は、１次共振点以降も２次共振点までは、Ｂ点およびＣ点の値よりもわずかに小さいだけである。このことは、実施例は、比較例に比べて、基本周波数の２次の高調波に対する利得が大きくなることを示し、移動体を移動させるための鋸歯状の振動を得やすくなっていることが分かる。

また、図９に、比較例および実施例に、実際に移動部材を係合させて、それぞれ、電気機械変換素子に１次共振周波数の０．７倍の周波数でデューティ比０．３の矩形波電圧を印加したときの、Ａ点、Ｂ点およびＣ点における移動部材の移動速度を測定した結果を示す。図示するように、比較例における移動部材のＡ点での移動速度は、Ｂ点およびＣ点よりも大きく落ち込んでいるが、実施例における移動部材のＡ点での移動速度は、Ｂ点およびＣ点とほぼ同じ移動速度になっている。つまり、本実施例の駆動装置は、移動部材の位置にかかわらず、移動部材の移動速度が安定しているという結果が得られた。

本発明の駆動部材は、例えばカメラのレンズの駆動や、精密ステージの駆動などに用いることができる。

本発明の駆動装置の構成図。図１の駆動摩擦部材の異なる点における周波数特性を示すグラフ。図１の駆動摩擦部材の異なる点の振動波形を示すグラフ。図１の駆動摩擦部材の異なる点における移動部材の移動速度を示すグラフ。図１の駆動装置において、弾性部材と駆動摩擦部材とのばね定数の比の違いよる周波数特性の違いを示すグラフ。図１の駆動装置において、弾性部材と駆動摩擦部材とのばね定数の比の違いよる移動部材の移動速度の違いを示すグラフ。比較例における駆動摩擦部材の異なる点における周波数特性を示すグラフ。実施例における駆動摩擦部材の異なる点における周波数特性を示すグラフ。比較例および実施例における、それぞれ駆動部材の異なる点における移動部材の移動速度を示すグラフ。従来の駆動装置の構成図。従来の駆動摩擦部材の異なる点における周波数特性を示すグラフ。従来の駆動摩擦部材の異なる点の振動波形を示すグラフ。従来の駆動摩擦部材の異なる点における移動部材の移動速度を示すグラフ。

符号の説明

１駆動装置
２電気機械変換素子
３弾性部材
４駆動摩擦部材
５移動部材

Claims

電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子に一端が固定された弾性部材と、
前記弾性部材の他端に固定された駆動摩擦部材と、
前記駆動摩擦部材に摩擦係合する移動部材とからなり、
前記電気機械変換素子に電圧を印加して該電気機械変換素子を伸縮させることで前記駆動摩擦部材と前記移動部材とを相対移動させることを特徴とする駆動装置。
前記弾性部材のばね定数の前記駆動摩擦部材のばね定数に対する比が０．５以上で５以下であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。